Especificação de tarefas primitivas para o controle da locomoção de robôs quadrúpedes - Paula, Daniel Teixeira de [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2024)
Para além das impressionantes façanhas acrobáticas, a principal motivação para o desenvolvimento de robôs com patas reside em sua capacidade para se deslocar nos variados tipos de ambiente, um aspecto fundamental para aplicações críticas envolvendo risco a integridade humana como a inspeção em áreas de difícil acesso, operações de busca e salvamento ou até mesmo a exploração espacial. Na natureza, a forma com que os animais escolhem se locomover depende da importância relativa atribuída a aspectos característicos como a velocidade, aceleração, custo energético, e resiliência. Cada um desses aspectos pode ser interpretado como resultado da associação de múltiplas tarefas primitivas representando funções dos estados do sistema, dando indícios que uma estratégia de controle projetada para o controle da locomoção de um robô com patas precisa ser capaz de atender a múltiplos objetivos, possivelmente conflitantes, simultânea e harmoniosamente, no entanto, isso não significa que o controle deva considerar todas as possíveis tarefas dado que frequentemente é necessário moderar sua funcionalidade em virtude das inerentes limitações do sistema. Como definir o grau de complexidade do controle necessário para viabilizar a locomoção com patas de forma adequada permanece uma pergunta sem resposta definitiva. Nesse sentido, este trabalho investiga como a gradual incorporação de tarefas primitivas e a respectiva elevação da complexidade influencia o desempenho do controle da locomoção quadrúpede. Com um enfoque no controle do movimento, este estudo envolve a análise de desempenho para locomoção com patas de estratégias de controle com diferentes níveis de complexidade, incluindo o controle cinemático, o controle de impedância, e o controle de corpo inteiro. Os sistemas propostos são implementados em simulação através de um protótipo virtual desenvolvido no Simulink com o toolbox Simscape Multibody. Ademais, são realizados ensaios para avaliar o efeito do impacto com o solo e verificar o desempenho da locomoção usando a marcha trote. Os resultados evidenciaram que a qualidade de rastreamento da trajetória das patas por si só não foi suficiente para permitir a locomoção. Ao considerar o efeito das forças advindas da interação com o solo, o robô foi capaz de se locomover adequadamente, mantendo o equilíbrio e se deslocando com uma velocidade próxima da estimada. Dentre as estratégias para o controle do movimento propostas, o controle de corpo inteiro obteve o melhor desempenho para locomoção, apresentando funcionalidade adicional além de reduzido consumo energético. Por fim, são sugeridos aspectos que podem ser melhor explorados em trabalhos futuros para expandir a abrangência dos resultados obtidos neste trabalho.

Beyond the impressive acrobatic feats, the main drive for legged robot development resides in its potential to move as effectively as its animal counterparts do in different types of terrain with varying degree of complexity, a key aspect for critical applications that imply risks to human integrity such as the inspection of hard-to-reach places, search-and-rescue missions, or even space exploration. In nature, how an animal chooses to traverse the landscape depends on the relative importance attributed to aspects such as speed, acceleration, energetic cost, and endurance. Each one of these elements can be interpreted as the result of combining multiple task primitives representing system state functions, which hints that a control scheme designed for legged locomotion control needs to be able to fulfill multiple, possibly conflicting, control objectives simultaneous and harmoniously, however, this does not mean that the control must consider all the possible tasks given that moderating its functionality may be required due to inherent system limitations. How to define the degree of complexity that enables adequate legged locomotion remains a question without a definitive answer. With that in mind, this work investigates how the incremental addition of task primitives and its associated increase in complexity affects quadruped locomotion control performance. Focusing on motion control, this study analyzes the locomotion performance of control schemes with different levels of complexity, including kinematic control, impedance control, and whole-body control. The proposed systems are implemented in simulation using a virtual prototype developed in Simulink with the Simscape Multibody toolbox. In addition, experiments were carried out to evaluate the control schemes applied to the quadruped robot, examining the effect of ground impact and verifying its performance for locomotion using the trot gait. Results showed that the foot trajectory tracking performance by itself was not sufficient to enable locomotion. By accounting for ground reaction forces, the robot was able to move adequately, close to the estimated speed, while maintaining balance. Within all the proposed motion control schemes, the whole-body control obtained the best locomotion performance, presenting additional functionality as well as lower energy consumption. Lastly, we suggest aspects that can be further explored in future works to broaden the coverage of the results obtained in this work.
Task primitives specification for quadruped robot locomotion control
Keywords: Controle da locomoção; Robôs quadrúpedes; Tarefas primitivas; Locomotion control; Quadruped robots; Task primitives